近三年全國(guó)卷原電池考查歸納與典例解析

廣東安徽

電化學(xué)是高考的熱點(diǎn)內(nèi)容，新課標(biāo)卷每年均會(huì)考查，題型以選擇題為主，或者在原理綜合題或工藝流程題中以一小問(wèn)的形式呈現(xiàn)。隨著全球能源逐漸枯竭，研發(fā)、推廣新型能源迫在眉睫，因此，新型化學(xué)電池成為科學(xué)家研究的重點(diǎn)方向之一，也成為高考的高頻考點(diǎn)之一。高考中的新型化學(xué)電源，一般具有高能環(huán)保、經(jīng)久耐用、電壓穩(wěn)定、比能量(單位質(zhì)量釋放的能量)高等特點(diǎn)。雖然情景較新，但題目的落腳點(diǎn)往往還是離子的移動(dòng)方向、電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)判斷等基礎(chǔ)知識(shí)。電化學(xué)內(nèi)容理論性、規(guī)律性較強(qiáng)，可以讓學(xué)生建立原電池的模型，然后遷移到陌生的情景。解題原理仍然還是原電池的基礎(chǔ)知識(shí)，只要細(xì)心分析，實(shí)際上得分比較容易。本文對(duì)近三年新課標(biāo)卷原電池的考查進(jìn)行歸納總結(jié)，希望對(duì)2020屆考生的復(fù)習(xí)備考有所啟發(fā)。

一、近三年典型高考真題分析

年份題號(hào)、考查角度2019年·全國(guó)卷Ⅰ12題,以生物燃料電池為載體,考查電極反應(yīng)、反應(yīng)產(chǎn)物、質(zhì)子移動(dòng)方向等相關(guān)知識(shí)2019年·全國(guó)卷Ⅲ13題,以強(qiáng)堿性電解質(zhì)的3D-Zn-NiOOH二次電池為載體,考查信息提取、電極反應(yīng)、離子移動(dòng)方向等相關(guān)知識(shí)2018年·全國(guó)卷Ⅱ9題,以“可呼吸”的Na-CO2二次電池作載體,將NaClO4溶于有機(jī)溶劑作為電解液,考查離子移動(dòng)方向、電極反應(yīng)等相關(guān)知識(shí)2018年·全國(guó)卷Ⅲ11題,以可充電的鋰—空氣電池作載體,考查正負(fù)極的判斷、電子移動(dòng)方向、離子移動(dòng)方向、電池總反應(yīng)等相關(guān)知識(shí)2017年·全國(guó)卷Ⅰ11題,以外加電流的陰極保護(hù)法作載體,考查信息提取、原因分析、電流大小、電子移動(dòng)方向等相關(guān)知識(shí)2017年·全國(guó)卷Ⅲ13題,以全固態(tài)鋰硫電池作載體,考查電極反應(yīng)、電極質(zhì)量、電極的導(dǎo)電性等相關(guān)知識(shí)

(1)考點(diǎn)分析：

縱觀2017—2019年，共考查了6個(gè)原電池的選擇題，重點(diǎn)考查新型化學(xué)電源，試題題材廣、信息新、陌生度大。要求學(xué)生建立模型、靈活掌握外電路中電子如何移動(dòng)，內(nèi)電路中陰陽(yáng)離子的移動(dòng)方向。對(duì)于金屬的腐蝕與防護(hù)，常以鋼鐵制品在一定環(huán)境中的變化為載體進(jìn)行考查。比如：2017年Ⅰ卷，海港碼頭基礎(chǔ)的鋼管樁，常用外加電流的陰極保護(hù)法進(jìn)行防腐。

(2)考查角度及電池類型

二、典例解析

1.新型燃料電池

【例1】(2018全國(guó)卷Ⅲ·11)一種可充電鋰-空氣電池如圖所示。當(dāng)電池放電時(shí)，O2與Li+在多孔碳材料電極處生成Li2O2-x(x=0或1)。下列說(shuō)法正確的是

( )

A.放電時(shí)，多孔碳材料電極為負(fù)極

B.放電時(shí)，外電路電子由多孔碳材料電極流向鋰電極

C.充電時(shí)，電解質(zhì)溶液中Li+向多孔碳材料區(qū)遷移

【答案】D

【點(diǎn)評(píng)】本題考查新型電池，鋰作燃料在空氣中燃燒，故通氧氣的電極為正極，單質(zhì)鋰為負(fù)極。明確原電池基本原理、陰、陽(yáng)離子的定向移動(dòng)方向，結(jié)合圖形中的信息有助于解題。放電時(shí)電池反應(yīng)的逆向反應(yīng)就是充電的電池反應(yīng)，注意放電時(shí)的負(fù)極，充電時(shí)應(yīng)該為陰極；放電時(shí)的正極，充電時(shí)應(yīng)該為陽(yáng)極。

【歸納總結(jié)】1.有關(guān)燃料電池的解題思路：

2.燃料電池電極反應(yīng)書(shū)寫(xiě)的注意事項(xiàng)：

(1)燃料電池的負(fù)極是可燃性氣體，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)；正極多為氧氣或空氣，得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，可根據(jù)電荷守恒來(lái)配平。

(2)燃料電池的電極不參與反應(yīng)，有很強(qiáng)的催化活性，起導(dǎo)電作用。

(3)燃料電池的電極反應(yīng)中，酸性溶液中不能生成OH-，堿性溶液中不能生成H+，水溶液中不能生成O2-，而熔融電解質(zhì)中O2被還原為O2-。

(4)正、負(fù)兩極的電極反應(yīng)在得失電子守恒的前提下，相加后的電池反應(yīng)必然是燃料燃燒反應(yīng)和燃燒產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液反應(yīng)的疊加反應(yīng)。

3.幾類常見(jiàn)的燃料電池

電池類型電極反應(yīng)及總反應(yīng)說(shuō)明甲烷燃料電池負(fù)極:CH4+10OH--8e-CO2-3+7H2O正極:2O2+4H2O+8e-8OH-總反應(yīng)式為CH4+2O2+2KOHK2CO3+3H2O用金屬鉑作電極,用KOH溶液作電解質(zhì)溶液

續(xù)表

2.“起點(diǎn)高、落點(diǎn)低”的新型可逆電池

( )

A.三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高

D.放電過(guò)程中OH-通過(guò)隔膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)

【答案】D

【點(diǎn)評(píng)】本題考查化學(xué)電源新型電池，體現(xiàn)了“起點(diǎn)高、落點(diǎn)低”的特點(diǎn)。側(cè)重考查原電池和電解池原理，明確各個(gè)電極上發(fā)生的反應(yīng)及離子移動(dòng)方向是解答本題關(guān)鍵，難點(diǎn)是結(jié)合電解質(zhì)特點(diǎn)書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式，注意電子不經(jīng)過(guò)電解質(zhì)溶液。

( )

B.充電時(shí)釋放CO2，放電時(shí)吸收CO2

【答案】D

【點(diǎn)評(píng)】本題以我國(guó)科學(xué)家發(fā)表在化學(xué)頂級(jí)刊物上的“一種室溫下“可呼吸”的Na-CO2二次電池”為載體考查了原電池和電解池的工作原理，明確二次電池中充電與放電的關(guān)系，正負(fù)極、陰陽(yáng)極電極反應(yīng)的關(guān)系是解題關(guān)鍵，側(cè)重考查學(xué)生分析判斷能力，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)。本題弘揚(yáng)了社會(huì)主義核心價(jià)值觀個(gè)人層面的愛(ài)國(guó)精神，落實(shí)了立德樹(shù)人的教育根本任務(wù)。

【歸納提升】(1)對(duì)于一般的電池而言，充電電池具有一定的可逆性，在放電時(shí)，它是原電池裝置；在充電時(shí)，它是電解池裝置，是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、電量足、大功率、適合長(zhǎng)時(shí)間使用的電器。(2)“起點(diǎn)高、落點(diǎn)低”是指有些問(wèn)題起點(diǎn)很高，試題所提供的材料、情景都是教科書(shū)里沒(méi)有的，即“材料在外”；但是解決問(wèn)題的思路、答案都在教材中，在考生的知識(shí)范圍之內(nèi)，即“答案在內(nèi)”。比如試題是尖端科研課題，某些獲諾貝爾獎(jiǎng)的內(nèi)容，或者是我國(guó)科學(xué)家的最新科研成果，起點(diǎn)很高，但落點(diǎn)低，落腳點(diǎn)就在考生的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)與教材中。

3.高效環(huán)保電池

( )

B.電池工作時(shí)，外電路中流過(guò)0.02 mol電子，負(fù)極材料減重0.14 g

C.石墨烯的作用主要是提高電極a的導(dǎo)電性

D.電池充電時(shí)間越長(zhǎng)，電池中Li2S2的量越多

【答案】D

【點(diǎn)評(píng)】本題考查化學(xué)電源新型電池，涉及原電池工作原理，電極判斷、電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)、簡(jiǎn)單計(jì)算等知識(shí)點(diǎn)。突破口是根據(jù)離子的流向判斷原電池的正負(fù)極，根據(jù)元素化合價(jià)的變化，判斷放電時(shí)正負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)，再結(jié)合電解質(zhì)書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式，側(cè)重考查學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和讀取圖表信息的能力。

【知識(shí)擴(kuò)展】環(huán)保電池是指近年來(lái)已投入使用或正在研制、開(kāi)發(fā)的一類高性能、無(wú)污染電池。目前已經(jīng)大量使用的金屬氫化物鎳蓄電池、鋰離子蓄電池、正在推廣使用的無(wú)汞堿性鋅錳原電池以及正在研制、開(kāi)發(fā)的鋰或鋰離子塑料蓄電池和燃料電池等都屬于這一范疇。新型環(huán)保蓄電池具有的特點(diǎn)是蓄儲(chǔ)電量大、高效、耐用、耐腐蝕、免維護(hù)、不污染環(huán)境、運(yùn)動(dòng)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

4.原電池原理的應(yīng)用

【例5】(2019·全國(guó)卷Ⅰ·12)利用生物燃料電池原理研究室溫下氨的合成，電池工作時(shí)MV2+/MV+在電極與酶之間傳遞電子，示意圖如圖所示。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是

( )

A.相比現(xiàn)有工業(yè)合成氨，該方法條件溫和，同時(shí)還可提供電能

C.正極區(qū)，固氮酶為催化劑，N2發(fā)生還原反應(yīng)生成NH3

D.電池工作時(shí)質(zhì)子通過(guò)交換膜由負(fù)極區(qū)向正極區(qū)移動(dòng)

【答案】B

【點(diǎn)評(píng)】目前合成氨工業(yè)消耗的能源占地球總耗能的1%，降低能耗、提高轉(zhuǎn)化率一直是化學(xué)工作者的追求和研究方向。本題以頂級(jí)化學(xué)期刊上發(fā)表的新型合成氨生物燃料電池為載體，將科學(xué)研究與應(yīng)用熱點(diǎn)課題作為情境，考查原電池原理的應(yīng)用，涉及燃料電池正負(fù)極的判斷及離子的移動(dòng)方向判斷，能準(zhǔn)確利用反應(yīng)原理判斷正負(fù)極和離子流動(dòng)的方向，明確酶的作用是解題的關(guān)鍵。難點(diǎn)是B項(xiàng)對(duì)陰極區(qū)的理解。物理學(xué)規(guī)定：電勢(shì)高(電流流出、電子流入)的電極叫正極，電勢(shì)低(電流流入、電子流出)的電極叫負(fù)極。魯科版選修四13頁(yè)，按照電化學(xué)的規(guī)定：發(fā)生氧化反應(yīng)的電極叫陽(yáng)極，發(fā)生還原反應(yīng)的電極叫陰極。所以原電池的負(fù)極，同時(shí)也是陽(yáng)極，其電極區(qū)域叫負(fù)極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)；原電池的正極，同時(shí)也是陰極，其電極區(qū)域叫正極區(qū)、陰極區(qū)。所以，本題中陰極區(qū)，實(shí)際上指的是右邊固氮酶一側(cè)。

5.電化學(xué)保護(hù)法

【例6】(2017·全國(guó)卷Ⅰ·11)支撐海港碼頭基礎(chǔ)的鋼管樁，常用外加電流的陰極保護(hù)法進(jìn)行防腐，工作原理如圖所示，其中高硅鑄鐵為惰性輔助陽(yáng)極。下列有關(guān)表述不正確的是

( )

A.通入保護(hù)電流使鋼管樁表面腐蝕電流接近于零

B.通電后外電路電子被強(qiáng)制從高硅鑄鐵流向鋼管樁

C.高硅鑄鐵的作用是作為損耗陽(yáng)極材料和傳遞電流

D.通入的保護(hù)電流應(yīng)該根據(jù)環(huán)境條件變化進(jìn)行調(diào)整

【答案】C

【解析】A.外加電流的陰極保護(hù)法，被保護(hù)的鋼管樁應(yīng)作為陰極，從而使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，使鋼管樁表面腐蝕電流接近于零，保護(hù)鋼管樁不被腐蝕，正確；B.通電后，惰性高硅鑄鐵作陽(yáng)極，海水中的氯離子在陽(yáng)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電子由高硅鑄鐵流出經(jīng)導(dǎo)線流向電源正極，再?gòu)碾娫簇?fù)極流出經(jīng)導(dǎo)線流向鋼管樁，正確；C.高硅鑄鐵為惰性輔助陽(yáng)極，所以高硅鑄鐵不損耗，錯(cuò)誤；D.在保護(hù)過(guò)程中要使被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)電位低于周圍環(huán)境，則通入的保護(hù)電流應(yīng)該根據(jù)環(huán)境條件變化進(jìn)行調(diào)整，正確。

【點(diǎn)評(píng)】該題明確電化學(xué)原理以及金屬的防腐蝕原理是解答的關(guān)鍵，鋼管樁表面腐蝕電流的理解是難點(diǎn)，考查學(xué)生分析問(wèn)題的能力以及提取題干信息的能力，即高硅鑄鐵為惰性輔助陽(yáng)極，性質(zhì)不活潑，不會(huì)被損耗。

【歸納總結(jié)】(1)金屬腐蝕的類型

腐蝕類型吸氧腐蝕析氫腐蝕條件水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性強(qiáng)負(fù)極反應(yīng)Fe-2e-Fe2+正極反應(yīng)O2+4e-+2H2O4OH-2H++2e-H2↑腐蝕作用主要腐蝕類型,有廣泛性局部區(qū)域

(2)金屬防護(hù)的幾種重要方法

①改變金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)合金鋼中含有合金元素，使組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，耐腐蝕。如：不銹鋼。

②在金屬表面覆蓋保護(hù)層。常見(jiàn)方式有：涂油脂、油漆或覆蓋搪瓷、塑料等；使表面生成致密氧化膜；在表面鍍一層有自我保護(hù)作用的另一種金屬。

③電化學(xué)保護(hù)法：

a.外加電源的陰極保護(hù)法：接上外加直流電源構(gòu)成電解池，被保護(hù)的金屬作陰極。

b.犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法：外加負(fù)極材料，構(gòu)成原電池，被保護(hù)的金屬作正極。

總之，通過(guò)分析近年高考化學(xué)試題我們發(fā)現(xiàn)，原電池主要考查新型電池、燃料電池以及二次電池的工作原理，涉及了電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)及相關(guān)計(jì)算。往往借助新的情景，如近年頂級(jí)化學(xué)期刊上發(fā)表的新型電池為載體，考查電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能。只要我們緊扣教材，明確電化學(xué)的大致命題方向，有意識(shí)地對(duì)于典型試題進(jìn)行適當(dāng)?shù)貧w類整理和總結(jié)，學(xué)生對(duì)電化學(xué)知識(shí)的復(fù)習(xí)就能做到有條不紊，取得滿意的結(jié)果。